CN109475312A - 用于组织监测和分析的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提出了用于从检测区域远程感测声学和/或机械振动数据的系统和技术。系统包括：用于接收输入数据的输入端口，该输入数据包括指示从检测区域返回的光中探测到的散斑图案的图像数据片的序列；被配置用于处理并分析输入数据的至少一个处理设施，该至少一个处理设施包括：相关模块，其被配置用于处理图像数据片的序列并确定指示连续图像数据片中的散斑图案之间的空间相关性的相关函数，所述相关函数指示被检测区域内的点的位置变化；滤波模块，其被配置并可操作用于接收并处理关于所确定的相关函数的数据，用于提取指示具有选择的频率范围的振动的数据，以确定指示所述检测区域的声学信号、移动和触觉振动中的至少一个的数据。

Description

用于组织监测和分析的系统和方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，并且特别涉及与生物组织的机械和声学振动相关联的信号的探测。

背景

各种频率范围和振幅的振动提供了相应的数据。因此，在20Hz到20KHz的频率范围内，振动可以生成声学信号或者与声学信号相关联；而在各种频率范围内并根据其振幅，这种振动可以被感测为样本的机械振动。样本的声学和机械振动都可以提供样本上的数据。

例如，声学信号通常用于对各种情况下患者的医学检查。此外，机械振动提供触觉数据，其告知医生在组织区域之间的差异并允许组织参数/状况的触摸感测。机械和/或声学信号的探测通常为医生提供关于人体(或任何其它生物体)内的生物力学活动的非侵入性指示。

常用的听诊器已经成为医生的象征，并以简单且非侵入性的方式提供声学信号的探测。正在开发其它技术以提供电子远程探测声学信号。

本发明的发明人已经开发或共同开发了几种技术，提供移动的远程感测。例如：

US 8,638,991提出了一种用于对对象成像的方法。该方法包括使用聚焦在从对象移位的平面上的成像系统来对从对象传播的相干散斑图案进行成像。

US 2013/0144137和US 2014/0148658提出了一种用于监测受试者的身体的一种或更多种状况的系统和方法。该系统包括控制单元，该控制单元包括用于接收图像数据的输入端口、存储器设施(utility)以及处理器设施。图像数据指示由像素检测器阵列测量的数据，并且是根据特定采样时间模式由受试者的身体的一部分响应于相干光对其的照明而生成的散斑图案的序列的形式。存储器设施存储一个或更多个预定模型，该模型包括指示一个或更多个可测量参数与受试者的身体的一种或更多种状况之间的关系的数据。处理器设施被配置并可操作用于处理图像数据以确定一个或更多个相应的身体状况；以及生成指示相应的身体状况的输出数据。

一般描述

在本领域中，需要一种能够监测机械和/或声学信号(例如，与生物体相关联或源自生物体内的这样的机械和/或声学振动)的新系统和技术。本发明提供了一种利用光学测量实现振动(对应于声学和/或机械振动/信号)的远程感测的系统，该系统是非侵入性的，并且提供从相对大距离的精确探测，并且允许存储探测的信号的数字数据。此外，本发明的技术能够监测可能暴露或隐藏在组织层后面的微振动或通常非常小的振动。

该系统基于包括光源单元和光收集单元的光学测量/收集系统。光学测量系统通常利用对待监测的(例如，诸如患者、人或动物的生物体的)检查区域的相干照明，以及对由来自照明区域的光的散射形成的二次散斑图案的收集。散斑图案由收集单元收集，收集单元通常被配置为相机单元，相机单元被配置为相对于照明区域散焦。收集单元被配置有成像透镜装置和检测器阵列，检测器阵列被定位用于收集与检查区域和成像透镜装置之间的中间平面相关联的图像数据。这使得能够收集与由从检查区域返回/散射的光成分的干涉形成的二次散斑图案相关联的图像数据片。

本技术利用对应于如此收集的散斑图案的图像数据片的序列形式的输入数据，来确定关于在连续散斑图案之间的、指示检查区域的位置或取向的变化的相关性的数据。这种相关函数提供关于照明区域的位置和/或取向的小变化的数据，这些变化被转换成由收集单元收集的散斑图案的排列和/或位置的变化。照明区域的位置/取向的这种变化可以指示检查区域或其周围的振动，并且可以源自从该区域附近到达的声学信号或其它机械振动，以及指示组织的或相邻组织的移动。此外，组织的位置/取向的这种变化可能与组织对外部刺激的机械(弹性或塑性)响应相关联。

本技术利用输入数据和由此确定的相关函数来确定关于从检查区域(通常是被监测的身体)收集的声学信号的数据。为此，由相机单元收集的(通常由相应的检测器阵列收集的)数据被适当地滤波和分析，从而例如根据振动的频率范围和振幅来区分移动的声学和其它源。在这方面，应当注意，相机采样率优选地足够高，以用于例如根据奈奎斯特定理和期望信号的频率范围来探测声学信号。本发明的系统通常提供控制单元，该控制单元被配置用于接收与二次散斑图案的时间变化相关联的输入数据。控制单元通常包括处理设施、存储器设施以及提供与网络和/或用户接口的连接的输入和输出端口。控制单元被配置并可操作用于从一个或更多个相机单元接收输入数据，滤波所述输入数据以识别与声学频率模式变化相关联的数据并生成指示探测到的声学信号的相应输出数据。

此外，为了使该系统能够探测和确定关于样本的小的内部或外部移动的数据，以及为了增加声学信号的探测中的信噪比，本技术还可以利用指向检查区域的光源的相干照明的调节或调制。为此，本发明的技术还可以包括使用时间调制光源，该时间调制光源被配置为发送以根据待确定的声学信号的或移动的预期频率所选择的预定频率脉动的相干照明。

为此，处理设施通常可以包括一个或更多个软件/硬件模块，其被配置用于将所选择的频率滤波应用于所收集的数据和/或光源单元的操作，以及用于确定所收集的散斑图案和样本参数之间的相关性。因此，通常处理设施包括相关模块和滤波模块，并且还可以包括频率调制模块。相关模块被配置并可操作用于接收指示随时间收集的散斑图案的序列的多个数据片，并确定时间上连续的散斑图案之间的空间相关性。如所指示的，散斑图案的变化提供了关于照明区域的移动、取向变化或曲率变化的指示。所确定的相关函数提供了区域的位置、取向和/或曲率变化的测量的相对指示。为了区分与机械移动或其它移动上的声学信号相关联的改变，滤波模块被配置并可操作用于接收指示特定时间段(通常是实时的或由于处理和确定相关函数而造成的最小延迟)上的相关函数的数据流，并隔离模式变化内的声学频率。可以操作滤波模块来放大声学频率，同时降低非声学频率的幅度，以及根据操作指令应用附加滤波来优化声学信号的探测。在一些其它实施例中，技术或系统可被操作用于确定关于机械振动的数据，该机械振动可以具有较低的频率和/或与声学信号类似的频率(例如，低于500Hz(例如，低于320Hz或大约100Hz)的机械振动)。此外，如下更详细描述的，该技术可以利用外部刺激来确定关于频率高于500Hz的刺激振动的数据，该数据可能与不同纹理的触感相关联。

另外，频率调制模块在使用时被配置并可操作用于操作光源单元以提供预定频率的调制脉动相干照明。这用于实现相对于噪声放大相应频率(或其整数倍)的信号幅度。应当理解，噪声通常可以是白噪声，即具有所有相关频率。因此，通过放大所选择的频率，光调制可以增加信噪比，并有助于确定样本中的小变化(移动或声学数据)。

根据一些实施例，控制单元还可以包括信号选择模块，该信号选择模块被配置并可操作用于接收指示从照明区域收集的声学信号的数据，并应用选择性滤波，从而根据操作目标进一步隔离与一个或更多个特定声学源相关联的声学信号。例如，当系统用于提供心搏动的声学指示时，信号选择模块可以被设置为检测与对应于心脏瓣膜手术的S1和S2特性相关联的声学模式。附加地或替代地，信号选择模块可以被配置为选择性地识别和放大与附加的已知声学模式(例如呼吸作用和肺的活动以及肌肉活动和肠活动(bowlactivity))相关联的信号数据。

本发明的技术可用于确定与声学数据、小移动数据和对外部刺激的机械响应相关联的各种参数。如上所指示，适当的滤波可以提供作为心脏听诊器或一般听诊器的系统操作，其中滤波和信号选择模块被配置为检测相应频率和模式中的声学信号。此外，本发明的系统和技术可用于监测小的移动并确定样本的参数。例如，瘫痪的患者(例如患有肌萎缩侧索硬化(ALS)或其他瘫痪的患者)可以利用本发明的技术通过闭合眼睑来探测小的眼睛移动，并且从而使用户能够与其他人有效地交流。

另外，本技术可以利用附加的刺激单元(例如声学或超声扬声器)来确定组织参数，例如骨密度和弹性或其它参数。在这一点上，可以在与刺激频率相对应的频率上(例如，相似或整数倍)时间调制照明，从而在背景噪声上放大期望的信号，该背景噪声通常可以是白噪声。

另外，如上所述，控制单元可以根据选择用于探测的信号类型连接到各种输出单元。在一些实施例中，系统可以连接到触觉感测单元，该触觉感测单元被配置用于从控制单元接收关于探测的振动的数据并且用于施加物理压力变化，从而向用户提供模拟探测的振动的触感。这可以提供关于检查区域或与其相关联的对象的硬度的洞察，并且可以帮助用户(例如医生)区分不同组织或组织响应。

因此，触觉感测单元可以例如被配置为可佩戴感测单元(例如手套)，并且包括以预定顺序布置的多个致动器以提供选择的触觉感测。致动器被配置并可操作用于根据从控制单元接收的数据施加选择的压力，从而模拟在相应的检查区域中探测的振动。通常，致动器可以根据从检查区域检测的振动的频率和振幅提供各种类型的触感。

在一些配置中，触觉感测单元还可以被配置为提供温度变化感，例如包括加热/冷却装置。控制单元可以利用远程温度探测(例如使用红外光探测)来确定检查区域的温度并向感测单元提供相应的信息。

附加地或替代地，触觉感测单元还可以包括被配置用于提供纹理感测的纹理感测区域。关于检测区域的纹理的数据可以例如使用诸如超声刺激的外部刺激来确定，其中纹理变化数据可以与频率高于500Hz的振动数据(响应于刺激)相关联。触觉感测单元可以利用一个或更多个致动器来向用户提供纹理感测，和/或使用能够机械地或电子地改变表面的专用纹理感测区域提供纹理感测。

因此，根据本发明的广泛方面，提供了一种用于监测声学信号的系统，该系统包括控制单元，该控制单元包括：用于接收数据片的序列的输入端口，每个数据片指示探测到的散斑图案；以及被配置并可操作用于处理所述数据片的序列以确定关于声学信号的数据的处理模块。

该系统还可以包括或可连接到至少一个光学收集系统，该至少一个光学收集系统包括：光源，其被配置为生成相干照明并将所述相干照明引导到待检测的区域上；以及光收集单元，包括透镜单元和检测器阵列，该透镜单元被配置为收集来自沿着被检查区域和检测器阵列之间的轴线的大致方向的中间光学平面的输入光，并且将所述中间平面成像到探测器阵列上，从而收集关于由来自被检查区域的相干照明的散射生成的二次散斑图案的数据；探测器阵列被配置为探测所述收集的光，从而生成提供探测到的数据片的所述二次散斑图案的图像数据，并将探测到的数据片传输到控制单元。

根据一些实施例，处理单元可以包括：

相关模块，其被配置并可操作用于接收关于输入数据片的序列的数据，每个数据片对应于探测到的散斑图案，并且用于处理数据片的序列以确定连续数据片之间的相关函数，所述相关函数指示被检查区域内的点的位置变化；

滤波模块，其被配置并可操作用于接收关于所确定的相关函数的数据，并滤波所述数据以识别与针对被检测区域所产生的声学信号相关联的位置变化，从而生成指示从所述区域收集的声学信号的数据。

处理设施还可以包括信号选择模块，该信号选择模块被配置并可操作用于接收指示从所述区域收集的声学信号的所述数据，并且用于处理所述数据，选择与声学信号的原点相关联的一个或更多个声学信号模式。

系统可以被配置为用作心脏听诊器，其中处理设施被配置并可操作用于识别与心脏手术的声学指示相对应的收集的信号。它还可以被配置为充当精确的肺活量计或倾听肺部的呼吸噪声的设备，以执行与肺部活动相关的远程医学诊断。为此，系统可以将测量的声学信号与一个或更多个与已知的所选择生物活动相关联的声学模式和/或与校准期间确定的声学模式相关联。

根据一些进一步的实施例，本发明的系统可以被配置用于通过监测作为受试者的总热量消耗的一部分的咀嚼活动来使用营养，其中处理设施被配置并可操作用于识别与咀嚼活动相对应的收集信号。

根据一些实施例，系统还可以被配置为用作肺活量计，其中处理设施被配置并可操作用于识别与肺部活动相对应的收集信号。

此外，本发明的系统还可以被配置用于感测小的眼移动，其中处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分，被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

根据本发明的另一个广泛方面，提供了一种用于交流的系统，该系统包括：

(a)输入端口，用于接收数据片的序列，每个数据片指示探测到的散斑图案；以及处理模块，其被配置并可操作用于处理所述数据片的序列以确定关于小移动的数据，从而将所述小移动解译为交流信息。

该系统还可以包括至少一个光学收集系统，该至少一个光学收集系统包括光源，该光源被配置为以选择的频率生成相干照明并将所述相干照明引导到待检测区域上；以及光收集单元，该光收集单元包括透镜单元和探测器阵列，该透镜单元被配置为收集来自沿被检测区域和探测器阵列之间的轴的大致方向的中间光学平面的输入光，并且将所述中间平面成像到探测器阵列上，从而收集关于由来自被检测区域的相干照明的散射生成的二次散斑图案的数据；探测器阵列被配置为探测所述收集的光，从而生成提供探测到的数据片的所述二次散斑图案的图像数据，并将探测到的数据片传输到控制单元。待检测的区域可以是用户的闭合眼睑。

根据一些实施例，处理单元可以包括：

相关模块，其被配置并可操作用于接收关于输入数据片的序列的数据，每个数据片对应于探测到的散斑图案，并且用于处理数据片的序列以确定连续数据片之间的相关函数，所述相关函数指示被检测区域内的点的位置变化；

频率选择模块，其被配置并可操作用于根据关于待探测的移动的预期频率的数据来选择用于调制光源单元的操作频率和相机单元的采样率。

根据一些实施例，处理单元还可以包括滤波模块，该滤波模块被配置并可操作用于接收关于所确定的相关函数的数据，并且滤波所述数据以识别与针对被检测区域所生成的移动信号相关联的位置变化，从而生成指示从所述区域收集的移动模式信号的数据。

根据一些实施例，处理设施还可以包括信号选择模块，该信号选择模块被配置并可操作用于接收指示从所述区域收集的信号的所述数据，并且用于处理所述数据，选择与移动信号的原点相关联的一个或更多个信号模式。

根据一些实施例，系统可以被配置用于感测小的眼移动，其中处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

根据本发明的又一广泛方面，提供了一种用于检测骨密度的系统，该系统包括：

光源单元，其被配置为提供时间调制的相干照明以指向待检测的骨；

相机单元，其被配置为收集从所述骨返回的光，所述相机包括探测器阵列和光学装置，光学装置被配置为提供从样本返回的所述光的散焦成像，从而提供与散射光的二次散斑图案相对应的图像数据；

刺激单元，其被配置为以选择的频率向所述骨提供声学刺激；以及

控制单元，其被配置并可操作用于确定光源单元、相机单元和刺激单元的选择的操作频率，并从相机单元接收多个图像数据片，每个图像数据片指示二次散斑图案，并确定连续散斑图案之间的相关性，从而确定骨对来自刺激单元的刺激的弹性或机械响应。

控制单元还可以被配置为确定所述骨的骨密度状态或骨质疏松状态。

根据又一广义方面，本发明提供了一种系统，包括：用于接收输入数据的输入端口，该输入数据包括指示从检测区域返回的光中探测到的散斑图案的图像数据片的序列；至少一个处理设施，其被配置用于处理并分析输入数据，该至少一个处理设施包括：相关模块，其被配置用于处理图像数据片的序列并确定指示连续图像数据片中散斑图案之间的空间相关性的相关函数，所述相关函数指示检测区域内的点的位置变化；滤波模块，其被配置并可操作用于接收并处理关于所确定的相关函数的数据，以用于提取指示具有选择的频率范围的振动的数据，从而确定指示所述检测区域的声学信号、移动和触觉振动中的至少一个的数据。

在一些实施例中，该系统还可以包括至少一个光学收集系统，该至少一个光学收集系统包括光源，该光源被配置为在选择的频率处生成相干照明并将所述相干照明引导到选择的检测区域上；以及光收集单元，该光收集单元包括成像透镜装置和探测器阵列，该成像透镜装置被配置用于收集从所述检测区域返回的输入光，从而在探测器阵列上生成与位于检测区域和所述成像透镜装置之间的中间平面相对应的图像，探测器阵列被配置为探测所收集的光从而生成图像数据，所述图像数据与由来自被检测区域的相干照明的散射生成的二次散斑图案相关联，并且用于生成并发送相应图像数据片，所述图像数据片提供探测到的数据片以供处理，由此光收集单元被配置用于收集指示二次散斑图案的图像数据片。

光学收集系统可以被配置为与作为人体的一部分的检测区域一起使用。人体的一部分可以是以下至少一种：闭合眼睑、下颌、胸部、手、颈部、额部、额颞部。

根据一些实施例，处理设施还可以包括信号选择模块，信号选择模块被配置并可操作用于接收指示从所述区域收集的一个或更多个所选择的移动类型的所述数据，并且用于处理所述数据，选择与期望的移动原点相关联的一个或更多个移动模式。移动/振动模式可以与声学信号相关联，所述期望的移动原点是待探测的声学信号的期望原点。

处理设施还可以包括频率选择模块，该频率选择模块被配置并可操作用于根据关于待探测的移动的预期频率范围的数据来选择用于调制光源单元的操作频率和相机单元的采样率。

滤波模块可以被配置并可操作用于接收关于所确定的相关函数的数据，并且用于滤波所述数据以识别与针对检测区域所生成的移动信号相关联的位置变化，从而生成指示从所述区域收集的移动模式信号的数据。

根据一些实施例，该系统可以被配置用于感测小的眼移动，其中处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

根据一些实施例，系统可以被配置为用作心脏听诊器，所述处理设施被配置并可操作用于识别与心脏手术的声学指示相对应的收集信号。

根据一些实施例，系统可以被配置用于通过监测作为受试者总热量消耗的一部分的咀嚼活动来使用营养，所述处理设施被配置并可操作用于识别与咀嚼活动相对应的收集信号。

根据一些实施例，该系统可以被配置为用作肺活量计，所述处理设施被配置并可操作用于识别与肺部活动相对应的收集信号。

根据一些实施例，该系统可以被配置用于感测小的眼移动，所述处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

根据一些实施例，系统还可以包括可连接到触觉感测单元的输出端口，所述触觉感测单元包括多个致动元件，该致动元件被配置用于响应于指示来自所述检测区域的探测到的振动的数据而操作，从而根据所述收集到的振动数据向用户提供触感。

触觉感测单元可以被配置为可佩戴单元，并且被配置用于根据在所述检测区域处探测到的振动向用户提供触觉感测。触觉感测单元可以被配置用于提供低频移动、中频振动中的至少一种的振动感觉。

通常，触觉感测单元可以被配置用于提供与500Hz和更高的振动频率相关联的振动感觉，从而实现类似纹理的感觉。为此，触觉感测单元可以利用高频致动器和/或包括纹理感测元件，该纹理感测元件被配置用于机械地或电子地改变其选择表面的纹理，从而向用户提供相应的纹理感测。

根据一些实施例，触觉感测单元可以包括高频致动元件，该高频致动元件被配置用于利用指示响应于检测区域的外部刺激的高频振动的数据，提供与检测区域的纹理相关联的触觉感测。附加地或替代地，触觉感测单元可以包括至少一个纹理感测元件，该纹理感测元件被配置用于响应于指示检测区域的高频振动的输入数据，而机械地或电子地改变其选择表面的纹理。

根据一些实施例，触觉感测单元可以包括多个的至少两个致动区域，所述致动区域包括低频压力感测、中频振动感测、纹理变化感测和温度感测中的至少两个。

根据一些实施例，该系统还可以包括刺激单元，该刺激单元被配置用于向所述检测区域提供选择的外部刺激，所述外部刺激与选择的频率范围的声学信号相关联。该处理设施还可以包括被配置并可操作用于确定外部刺激的所述选择的频率的刺激选择模块，以及弹性测定/弹性成像模块，其被配置并可操作用于接收关于根据所述选择的频率滤波的连续散斑图案之间的相关性的数据，以用于确定关于所述检测区域的材料密度的数据。

附图简述

为了更好地理解本文公开的主题并且为了例示其在实践中可以如何被实施，现在将仅仅通过非限制性示例的方式参考附图描述实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的一些实施例的用于区域检测的系统；

图2示出了根据本发明的一些实施例的用于声学信号探测的控制单元；

图3A和3B显示了与患者心脏活动相关联的探测到的声学信号的谱图表示(图3A)和探测到的声学信号(图3B)；

图4显示了使用本发明的技术收集的与下颌关节移动相关联的声学信号；

图5显示了与眼移动相关联的声学信号，该声学信号可与睡眠质量监测相关并且其使用本发明的技术来收集；

图6A和6B举例说明了本发明的技术对于不动的(例如瘫痪)患者使用轻微眼移动的有效交流的应用；

图7示意性地示出了根据本发明的一些实施例的被配置用于向用户提供触觉数据的触觉感测单元；以及

图8显示了描述本发明的技术的示意流程图。

实施例的详细描述

参考图1，其示意性地示出了用于在远程收集与来自目标的振动或移动(例如声学)相关联的信号中使用的系统1000。系统通常包括被配置为指向待检测的样本的区域R的相干光源200和被配置为收集从被检测区域R反射/散射的光的相机单元300，并且可以包括被配置为发送某些刺激到样本上的刺激单元400。系统1000还可以包括输出模块850(用户接口模块)，其被配置用于向用户提供所选择形式的输出。相机单元300被配置为相对于区域R散焦，从而提供中间平面P的成像，中间平面P沿着区域R和相机单元300之间的光通路定位。相机单元通常包括探测器阵列(未具体示出)，该探测器阵列被配置为收集与从中间平面P收集的二次散斑图案相关联的图像数据，如通过引用并入本文的美国专利8,638,991中和美国专利公开US 2013/0144137和US 2014/0148658中更详细地描述的。

光源200和相机单元300以及刺激单元400(当使用时)可连接到控制单元500，控制单元500被配置并可操作用于操作光源200和相机单元300以及刺激单元400，并且用于从相机单元300接收数据流，该数据流指示收集到的散斑图案的图像数据片的序列。控制单元500通常包括处理模块，该处理模块被配置用于处理并分析收集到的数据流，以确定关于在被检测区域R处形成的声学信号的数据。

在这方面，应该注意，区域R通常可以是任何样本的区域。更具体地，本发明的技术和系统可以有利地用于提供活生物体且特别是人类患者的声学感测。因此，本发明的系统可以指向患者或患者的身体部分(例如，闭合眼睑、胸部区域、颈部或患者身体上的任何其它区域)或任何其它生物组织，并且通过以类似于医生使用听诊器探测生物力学操作(例如心脏活动、关节移动、肠活动等)的方式探测机械和声学信号来提供对材料特性和/或各种内部过程的远程和侵入性检测。在这方面，常用的听诊器虽然提供了简单且有效的诊断工具，但也存在一些缺点，例如缺乏探测信号的文件、医生的个人解释以及需要直接接触患者的被检测区域。本发明的技术提供了声学活动的远程感测，能够存储收集的数据用于比较和监测，因此可以用于患者的连续监测以及实时监测。

另外，本技术通过检测所选择的组织并确定其振动(或对外部刺激的响应)的数据可在外科手术中使用，并利用作为输出模块850可连接到系统的触觉感测单元向用户提供触觉刺激形式的探测数据。通常，输出模块850可以与用户接口单元(例如屏幕)或通信网络连接相关联。在一些实施例中，输出模块可以包括触觉感测单元，该触觉感测单元被配置为提供指示在检测区域R处探测到的振动的触觉刺激。

此外，根据一些实施例，本发明的系统和技术可用于实现针对患者的远程通信系统。例如，瘫痪的患者可以利用如本文描述的系统来探测他闭合眼睑后面的眼睛的小移动，以与他周围的环境进行交流。为此，该系统可以被配置为引导相干光源200照亮用户闭合眼睑上或附近的区域，以能够探测用户的闭合眼睑后面的眼睛的移动。该系统可以被配置为以简单的是和否的回答来解析眼移动，或者基于用户的训练和预定义的算法来确定更复杂的想法。

为了使系统能够确定这种小的移动以及附加的参数和特性，本发明还可以利用光源单元200对样本照明进行的时间调制。更具体地，光源单元可以被配置为由控制单元以脉动方式在根据关于待确定的特性的预先存在的数据选择的频率下操作，例如类似的频率、对应的奈奎斯特频率或信号频率的整数倍。分别地，相机单元300的采样率可以被类似地调制以提供相应的采样率。这使得相对于其它频率的信号或噪声能够放大相应频率的信号。由于一般噪声可能是白噪声，因此产生的效果可能是增加的信噪比(SNR)。

还应当注意，本发明的技术还提供了一种系统，该系统被配置为控制单元500并且可连接到一个或更多个感测单元，其中感测单元的每一个包括相干光源200、相机单元300以及在一些配置中的一个或更多个刺激单元400，并且被配置为指向对于单个或多个患者的待检测的区域。控制系统在图2中举例说明，并且包括处理设施600和输入/输出通信端口800，该输入/输出通信端口800用于接收输入数据和用于通过网络通信和/或用户界面提供输出数据，例如利用图1中的输出模块850。

图2所示的控制系统500通常包括处理设施，该处理设施包括用于处理并分析输入数据的软件或硬件模块，以提供指示从一个或更多个被检测区域探测到的声学信号的输出数据。更具体地，处理设施600包括相关模块610和滤波模块620。根据一些实施例，处理设施还可以包括频率选择模块625和/或信号选择模块630。

相关模块610被配置并可操作用于接收数据片的序列的形式的输入数据，每个数据片指示收集的散斑图案的图像数据。以某一时间采样率收集序列，以提供在被检测区域处的时间变化的指示。相关模块610处理数据片的输入序列，以确定连续散斑图案之间的空间相关性，从而确定连续的收集图案中变化的测量。散斑图案的排列之间的这种变化通常指示被检测区域R的反射/散射表面内的变化，该变化与该区域的表面的移动、取向或曲率的改变相关联。收集的数据片的多个连续对(与多个散斑图案相关联)之间的所确定的相关函数指示被检测区域随时间的变化。

相关模块610通常将关于连续输入数据片(散斑图案)之间的相关函数的数据发送到滤波模块620。滤波模块被配置并可操作用于接收相关函数数据，并对其进行处理和分析，以识别指示可能在被检测区域处或周围生成的声学信号的数据。类似于能够提供与内部活动相关联并从身体表面收集的声学数据的听诊器，本发明的技术提供关于(通常)通过区域的位置、曲率和取向的变化从被检测区域的表面探测到的内部声学信号的数据。

为此，滤波模块620被配置为将滤波应用于所确定的相关函数，以选择在与所选择信号相关联的频率上出现的相关变化，例如声学频率、振动、纹理等。典型地，相关声学频率可以在1Hz和20KHz之间，与触感相关联的相关频率可以低于250Hz，或者对于振动/运动而言低于320Hz，或者通常不是通过触觉感测直接感测的并且代表纹理变化的高于500Hz，在一些配置中，滤波模块620被配置为选择声学频率范围内或外的频带，例如在0.5Hz和1KHz之间，或者20Hz和500Hz之间，或者大约400Hz等的频率处出现的相关变化。通常，滤波模块被配置为应用对应于通过生物组织探测到的声学信号的低通滤波。还应当注意，根据奈奎斯特定理，可检测的最大变化频率受到相机单元300的采样率的限制。

控制系统500可以在显示单元上以图形数据的形式和/或以声学输出数据的形式提供指示探测到的声学信号的输出数据，使得医生能够以与他们可能使用的方式类似的方式进行倾听。另外，控制系统500可以存储和发送收集的声学数据，用于存储以及进一步处理，视情况而定。

还如图2所示，控制系统500还可以包括频率选择模块625和信号选择模块630。频率选择模块被配置并可操作用于接收指示所选择的操作/采样频率的数据(例如，来自操作者或存储在存储器单元700中的预存数据)，并且在对应于所选择的操作/采样频率的频率处操作光源单元200、相机单元300以及在一些配置中操作刺激单元400。更具体地，频率选择模块625可以操作光源单元200以提供预定频率(例如，在50Hz和500Hz之间、或低于50Hz、或高于500Hz等所选择的频率)的脉动照明。频率选择模块625还以基本相似的频率操作相机单元300，以允许适当探测从被检测区域散射的光的散斑图案的变化。使用所选择的刺激频率结合(光源以及相机单元的)相应的采样频率可以有效地“模拟”具有相似或相应频率的信号的放大，同时使白噪声保持较低。这为样本/组织/用户的探测和检测系统提供了提高的SNR和灵敏度。这种刺激调制可以例如用于精细确定骨密度和其弹性特性，以确定骨质疏松症或其它骨相关疾病的状态。

信号选择模块630可以被配置并可操作用于接收指示探测到的声学信号的数据，并用于处理该数据以识别和确定与要识别的一个或更多个参数相对应的声学模式。更具体地，信号选择模块630可以被预配置为识别与心脏活动相关联的声学信号，例如S1和S2信号，并且放大相应的频率以提供增强的输出。因此，信号选择模块可以应用信号处理和匹配来探测和增强与预定义的已知声学模式(例如心跳的S1和S2成分、肌肉蠕动(例如胃肠活动)、下颌移动以及进出肺部的气流(例如提供非接触式光学肺活量计))相关联的信号。

应当注意，声学模式的选择可以与被检测区域R的确切位置相关联，或者也可以不相关联。例如，当监测心脏活动时，区域R可以优选位于胸部处，也可以来自身体的其它部分，因为血流传输声学数据，并且因为信号选择模块630可以操作以增强与期望模式相关联的声学信号。然而，由于肌肉活动可以有效地源自患者身体中的任何肌肉，因此当搜索肠活动或其它肌肉活动时，优选地将被检测区域R选择成所选择的活动原点非常接近。

为了举例说明上述技术的操作，图3A和3B显示了如通过本技术远程(在距受试者大约1.5米的距离处)测量的与心脏活动相关联的处理后的测量数据。图3A显示了收集的信号的谱图，其示出了垂直轴上的频率分量，水平轴上的时间，并且其中特定时间处的每个频率分量的幅度由谱图的颜色示出(白色是更大的幅度，而黑色是更低的幅度)。如图3A的谱图所示，存在以类似于在心脏活动中探测到的S1和S2成分的方式成对到达的声学脉冲的序列。图3B显示了400Hz周围的相应频率范围处测量的时间信号，其清楚地示出了心脏活动的成分。这种声学感测还可以提供心脏功能紊乱的指示，其可以由拉长的声学信号、杂音信号或医学文献中通常已知的其它变化来指示。

如上所指示，本技术可以提供与患者的附加活动相关联的声学数据。参考图4和图5，其示出了从患者的下颌和患者的眼睛探测到的声学信号，患者的下颌如由图4中患者身上的照明点标记，而患者的眼睛由图5中相应的照明点标记。这些图显示了在要求患者执行用于校准的某些任务时探测到的声学活动。在图4中，患者被要求屏住呼吸(w/o呼吸)、有规律地呼吸(w/呼吸)、每2秒和每秒慢慢移动他的下颌来咀嚼(每2秒咀嚼一次和每1秒咀嚼一次)、磨他的牙齿(磨牙症)以及放松他的下巴(放松)。正如可以看到的，探测到的声学信号在移动类型之间变化，并且可以用于确定患者的下颌活动。应该注意的是，图4和图5中可见的光点指示被激光照射的区域，并且该区域对应于正在执行远程感测过程的组织。

类似地，该系统指向患者的眼睛，如图5所示。探测到的声学信号被收集，其中患者被要求不要移动他的眼睛(没有移动)、快速移动他的眼睛(眼移动)以及放松他的眼睛(放松)。探测到的声学信号提供了眼睛从一个距离移动的指示，而不需要触摸患者。例如，该参数对于正确监测睡眠质量可能很重要。

参考图6A和6B，其示出了上述技术用于与瘫痪患者(例如具有末期ALS)交流的用途。图6A显示了用户闭合眼睑上的相干照明的方向以确定闭合眼睑后面的眼睛的移动，图6B显示了关于通过本发明的系统进行的眼移动探测的实验数据。在这里所示的测量中，系统被配置为以大约400Hz的调制脉动频率照亮检测区域(用户的眼睑)，其中相机单元以400fps(每秒帧数)的相应采样率操作。连续散斑图案之间的相关性提供了指示用户眼睑的位置或取向的数据。在图6B所示的位置vs时间的图中，位置数据被滤波以示出与休息时不自主的眼移动相关联的眼睛的高频移动。如所示，当休息时，用户的眼睛四处闪烁，而当被要求移动他的眼睑时，闪烁停止，并且可以显示低频移动。上述技术可以利用各种其它频率滤波器和用户指令来提供使用眼睛和眼睑移动的更高级别的交流，从而实现与ALS患者和瘫痪用户的简单交流。

参考图7，其示出了根据本发明的一些实施例的被配置用于提供触感输出的手套形触觉感测单元860。触觉感测单元860通常配置有多个致动元件870(致动器)，例如压电元件或机动致动器。触觉感测单元还可以包括纹理和/或温度感测元件875，其根据从检测区域收集的与高频振动相关联的收集数据来提供加热/冷却感测和/或提供纹理变化的感测。如上所指示的，本发明的系统被配置用于利用光学检测和从检测区域收集散斑图案来确定在一个或更多个选择频率中的振动数据。

在该示例中，触觉感测单元860被示例为手套状单元，并且包括位于与增加的感测相关联的区域处的致动器870。在一些其它配置中，触觉感测单元可以被配置用于将压力数据应用到用户的额部(在帽状或眼镜配置中)或用户的任何其它身体部位。这种配置使得用户在不物理上进行直接接触的同时能够远程感受组织的振动(内部的或响应于如上所述的外部刺激)和/或某些纹理。例如，该系统可以利用被配置用于向患者的一个或更多个选择区域提供超声刺激的刺激单元(图1中的400)，并收集关于选择组织(检测区域)的振动响应的数据。可以将关于探测到的振动响应的输出数据传输到触觉感测单元860来操作致动器870，并且在一些实施例中操作纹理感测元件875，以向用户(例如外科医生)提供关于被检测的组织的感测数据。这种非接触弹性成像感测可以提供关于被检测对象/组织的刚度的洞察，而不需要医生实际接触该区域，因此能够提高远程/机器人手术的准确性。

通常，致动器870可以被配置用于在宽范围的频率下操作。可选地，触觉感测单元可以配置有致动器的阵列，该致动器的阵列具有不同的频率范围，从而能够以各种频率传输感测数据。通常，人类的触觉对60Hz和500Hz之间的振动敏感，尤其是100Hz和320Hz之间的振动。然而，应当注意，本技术也可以利用高于500Hz频率处的触觉感测数据的传输，提供关于检测区域的纹理的用户数据。这种纹理感测可以通过以高频率激活致动器870的阵列和/或使用纹理感测元件875来提供，纹理感测元件875被配置用于改变选择表面以提供纹理变化感觉。

通常，该技术可以利用频率变化和/或外部刺激的多路复用来确定可能的检测区域的不同类型的纹理。这使得用户(例如外科医生)能够基于响应于外部刺激而收集的相应弹性成像数据所确定的纹理变化，来区分不同类型的组织。

此外，触觉感测单元860可以配置有各种感测区域，这些感测区域被配置用于提供与所选择的感测参数相关联的触觉刺激。例如，触觉感测单元860可以包括低频压力感测、中频振动感测、纹理变化感测和温度感测，其中不同的致动区域的每一个配置有合适的致动元件，该致动元件具有相应的频率范围和结构，用于向用户提供可靠的感测感觉。

在一些实施例中，该系统还可以包括红外温度计，其被配置用于远程测量检测区域的温度。另外，触觉感测单元860可以包括冷却/加热元件，其被配置用于向用户提供关于温度的感测数据，提供组织的感觉以及其温度或温度变化。

通常，这些配置可用于医疗用途，例如用于远程/机器人手术。此外，这种配置也可用于各种其它元件的非接触检测，其中触摸是现有的检测技术，例如食品(如蔬菜或水果等)的质量，以及娱乐用途，例如游戏或用户之间的远程交互。

参考图8，其示出了表示本发明技术的流程图。如所示，提供指示与从检测区域收集的散斑图案相关联的图像数据片的序列的输入数据1010。通过确定连续收集的散斑图案之间的相关函数来处理输入数据1020，该相关函数指示检测区域的振动和移动数据1030。振动数据通常可以包括噪声和关于除了一个或更多个期望信号之外的振动(声学和/或机械振动)的数据，并且该技术还包括基于振动的频率范围以及可能的振幅(强度)来滤波振动数据1040，以区分声学、移动类型和噪声数据。关于期望信号的数据通过滤波来提取，并经由合适的输出单元向用户输出1050。这种输出单元可以是扬声器系统、屏幕(显示图形数据)以及触觉单元。

这种监测技术可用于监测心脏活动、呼吸活动、睡眠和营养监测以及常规检查，而无需接近患者和/或触摸他。此外，本技术可用于确定组织参数和/或使用眼睛或眼睑移动或用户的任何其它微移动来提供基于移动的交流。应当注意，相干照明的波长通常可以是光谱和近红外之间的任何波长。这是为了允许简单的探测，并能够使用光学仪器，如透镜和探测器阵列。

Claims (24)

1.一种系统，包括：

输入端口，所述输入端口用于接收包括图像数据片的序列的输入数据，所述图像数据片的序列指示从检测区域返回的光中探测到的散斑图案，

至少一个处理设施，所述至少一个处理设施被配置用于处理并分析所述输入数据，所述至少一个处理设施包括：

i)相关模块，所述相关模块被配置用于处理所述图像数据片的序列，并确定指示连续图像数据片中散斑图案之间的空间相关性的相关函数，所述相关函数指示检测区域内的点的位置的变化；

ii)滤波模块，所述滤波模块被配置并可操作用于接收并处理关于所确定的相关函数的数据，以用于提取指示具有选择的频率范围的振动的数据，以用于确定指示所述检测区域的声学信号、移动和触觉振动中的至少一个的数据。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个光学收集系统，所述至少一个光学收集系统包括光源和光收集单元，所述光源被配置成在选择的频率处生成相干照明并将所述相干照明引导到选择的检测区域上，所述光收集单元包括成像透镜装置和探测器阵列，所述成像透镜装置被配置用于收集从所述检测区域返回的输入光，从而在所述探测器阵列上生成与位于所述检测区域和所述成像透镜装置之间的中间平面相对应的图像，所述探测器阵列被配置为探测所述收集的光从而生成图像数据，所述图像数据与由来自所述检测区域的所述相干照明的散射生成的二次散斑图案相关联并且用于生成并发送相应图像数据片，所述图像数据片提供探测到的数据片以供处理，由此所述光收集单元被配置用于收集指示二次散斑图案的图像数据片。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光学收集系统被配置为与作为人体的一部分的检测区域一起使用。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述人体的一部分是以下中的至少一个：闭合眼睑、下颌、胸部、手、颈部、额部、额颞部。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中，所述处理设施还包括信号选择模块，所述信号选择模块被配置并可操作用于接收指示从所述区域收集的一个或更多个所选择移动类型的所述数据，并且用于处理所述数据，选择与期望的移动原点相关联的一个或更多个移动模式。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述移动模式与声学信号相关联，所述期望的移动原点是待探测的声学信号的期望原点。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其中，所述处理设施还包括频率选择模块，所述频率选择模块被配置并可操作用于根据关于待探测的移动的预期频率范围的数据来选择用于调制所述光源单元的操作频率和所述相机单元的采样率。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述滤波模块被配置并可操作用于接收关于所述确定的相关函数的数据，并且用于滤波所述数据以识别与针对所述检测区域所产生的移动信号相关联的位置变化，从而生成指示从所述区域收集的移动模式信号的数据。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，所述系统被配置用于感测小的眼移动，其中，所述处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，所述系统被配置用作心脏听诊器，所述处理设施被配置并可操作用于识别与心脏手术的声学指示相对应的收集信号。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，所述系统被配置通过监测作为受试者总热量消耗的一部分的咀嚼活动来使用营养，所述处理设施被配置并可操作用于识别与所述咀嚼活动相对应的收集信号。

12.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，所述系统被配置用作肺活量计，所述处理设施被配置并可操作用于识别与肺部活动相对应的收集信号。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，所述系统被配置用于感测小的眼移动，所述处理设施作为睡眠质量监测系统的一部分被配置并可操作用于识别与眼移动相对应的收集信号。

14.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，还包括可连接到触觉感测单元的输出端口，所述触觉感测单元包括多个致动元件，所述致动元件被配置用于响应于指示来自所述检测区域的探测到的振动的数据而操作，从而根据所述收集的振动数据向用户提供触感。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述触觉感测单元被配置为可佩戴单元，并且被配置用于根据在所述检测区域处探测到的振动向用户提供触觉感测。

16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述触觉感测单元被配置用于提供低频移动和中频振动中至少一种的振动感。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，其中，所述触觉感测单元被配置用于提供与500Hz和更高的振动频率相关联的振动感，从而实现类似纹理的感觉。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述触觉感测单元包括高频致动元件，所述高频致动元件被配置用于利用指示响应于所述检测区域的外部刺激的高频振动的数据，提供与所述检测区域的纹理相关联的触觉感测。

19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述触觉感测单元包括至少一个纹理感测元件，所述纹理感测元件被配置用于响应于指示所述检测区域的高频振动的输入数据，而机械地或电子地改变其选择表面的纹理。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中，所述触觉感测单元包括多个的至少两个致动区域，所述致动区域包括低频压力感测、中频振动感测、纹理变化感测和温度感测中的至少两个。

21.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，还包括刺激单元，所述刺激单元被配置用于将选择的外部刺激提供到所述检测区域上，所述外部刺激与选择频率范围的声学信号相关联。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述处理设施还包括刺激选择模块和弹性测定模块，所述刺激选择模块被配置并可操作以确定所述外部刺激的所述选择频率，所述弹性测定模块被配置并可操作用于接收关于根据所述选择频率而滤波的连续散斑图案之间的相关性的数据，以用于确定关于所述检测区域的材料密度的数据。

23.一种用于骨密度的检测的系统，所述系统包括：

光源单元，所述光源单元被配置为提供指向待检测的骨处的时间调制的相干照明；

相机单元，所述相机单元被配置为收集从所述骨返回的光，所述相机包括探测器阵列和光学装置，所述光学装置被配置为提供从样本返回的所述光的散焦成像，从而提供与散射光的二次散斑图案相对应的图像数据；

刺激单元，所述刺激单元被配置为以选择频率向所述骨提供声学刺激；以及

控制单元，所述控制单元被配置并可操作以确定所述光源单元、相机单元和刺激单元的选择的操作频率，并从所述相机单元接收多个图像数据片，每个所述图像数据片指示二次散斑图案，所述控制单元并被配置为确定连续散斑图案之间的相关性，从而确定所述骨对来自所述刺激单元的刺激的弹性或机械响应。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述控制单元还被配置为确定所述骨的骨密度状态或骨质疏松状态。